بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش به بررسی تفاوت استفاده از دیفرانسیل با قابلیت کنترل گشتاور در محور جلو، عقب و یا هردو محور بر روي بهبود خوشفرمانی خودرو و تأثیر موقعیت مرکز جرم بر روي این مساله پرداخته شده است. مدل دینامیکی یک خودروي چهارچرخ محرك با در نظر گرفتن هشت درجه آزادي شامل سرعتهاي طولی و جانبی، سرعتهاي چرخشی و غلتشی خودرو و دوران چهار چرخ در نرمافزار متلب -سیمولینک مدلسازي و صحت مدل با نرمافزار کارسیم تایید شده است.
به منظور کنترل گشتاور انتقالی بین چرخهاي چپ و راست، از یک دیفرانسیل با قابلیت کنترل جهت و مقدار گشتاورهاي خروجی استفاده شده است. این سیستم با در نظر گرفتن ممان اینرسی اجزا در سیمولینک متلب شبیهسازي شده است. براي کنترل این سیستم، کنترلگري با دو لایهي کنترلی، مبتنی بر استراتژي کنترل فازي در سیمولینک طراحی شده است.
نتایج نشان دهندهي بهبود قابل توجه رفتار خودرو هنگام استفاده از این سیستمها در محور عقب و یا استفادهي همزمان در هر دو محور میباشد. همچنین نتایج نشان میدهند که هر چه موقعیت مرکز جرم به محور عقب نزدیکتر باشد از کارایی این سیستمها هنگام استفاده در محور جلو کاسته میشود.
مقدمه
خوشفرمانی خودرو به شرایط و نحوهي رفتار دینامیکی خودرو در حین حرکت در مسیرهاي منحنی و میزان کنترلی که راننده در جریان این حرکتها میتواند بر خودرو اعمال کند گفته میشود. رفتار خودرو عمدتا توسط نیروهاي وارده از طرف جاده به تایر مشخص میشود. بنابراین با کنترل نحوهي توزیع نیروهاي ایجاد شده بین تایر و جاده، میتوان خوشفرمانی و پایداري خودرو را تحت کنترل داشت.
با تغییر زاویهي لغزش چرخ میتوان نیروهاي جانبی را کنترل کرد که این کار با تغییر زاویهي فرمان انجامپذیر است. با تغییر لغزش طولی تایر میتوان نیروهاي طولی را تحت کنترل داشت که این روش با کنترل گشتاور محرك و یا ترمزي امکانپذیر است .
بررسیهاي صورت گرفته نشان میدهند که در زوایاي لغزش جانبی بالا حساسیت گشتاور چرخشی با تغییر زاویهي فرمانگیري در چرخهاي جلو، با شیب زیادي کاهش مییابد و تغییر در زاویهي فرمان، گشتاور چرخشی تولیدي را به مقدار بسیار کمی تحت تأثیر قرار میدهد از این رو استفاده از کنترل فعال فرمان در این شرایط چندان مناسب نیست
تحقیقات نشان میدهند که کنترل مستقیم گشتاور چرخشی با توزیع مناسب نیروي محرك یا ترمزي روي چرخهاي چپ و راست تأثیر قابل توجهی را در بهبود خوشفرمانی، پایداري و قابلیت مانورپذیري خودرو خواهد داشت .
در کنترل مستقیم گشتاور چرخشی بهکمک نیروي ترمزي، با در نظر گرفتن شرایط دینامیکی خودرو، بهصورت مستقل بر روي هر کدام از چرخها ترمزگیري میشود که باعث تولید یک ممان چرخشی اصلاح کننده میشود و تعادل خودرو را افزایش میدهد. امروزه این سیستم با نام سیستم کنترل پایداري الکتریکی 1 - ESC - بهعنوان یک تجهیز استاندارد روي بسیاري از خودروها قرار دارد. بررسیهاي صورت گرفته توانایی بالاي این سیستم را در افزایش پایداري خودرو و کاهش تصادفات مرگبار نشان میدهند
اما با وجود تواناییهاي این سیستم، استفاده از آن بهدلیل دخالت سیستم ترمز، محدودیتهایی را بهوجود آورده است. از جملهي این موارد میتوان به کاهش سرعت طولی و تلفات ناشی از آن، کاهش لذت رانندگی و غیره اشاره کرد .[4] توانایی دیفرانسیلهاي فعال در توزیع نامتقارن نیروهاي طولی در یک محور، امکان استفاده از آنها در کنترل گشتاور چرخشی را فراهم میکند. این سیستمها بدون نیاز به سیستم ترمز، قادرند به صورت فعال گشتاور بیشتري را به هرکدام از چرخها که لازم باشد منتقل کنند و با تولید گشتاور چرخشی اصلاحی، خودرو را پایدارتر کرده و خوشفرمانی خودرو را بهبود دهند.
موتویاما2 و همکاران [5] با ساختن یک خودروي آزمایشی، نشان دادند که کنترل گشتاور چپ و راست، در بهبود رفتار جانبی خودرو حتی در شرایط دشوار بسیار مؤثر میباشد. ایکوشیما3 و ساواسه[6] 4 براي توزیع گشتاور چپ-راست سیستمی را پیشنهاد کردند که بدون در نظر گرفتن شتاب گیري یا ترمزگیري قادر به اصلاح ممان گردشی خودرو بود.
ساواسه و سانو[7] 5 از شرکت میتسوبیشی موتور با معرفی سیستم 6AYC بهعنوان اولین دیفرانسیل با قابلیت کنترل برداري گشتاور، تأثیر این سیستم را در بهبود پایداري و خوش فرمانی بررسی کردند.
هنکوك1 و همکاران [21] پتانسیل سیستم AYC را در کنترل گشتاور چرخشی مورد بررسی قرار داده و با سیستم ESC مقایسه نمودند.
دیر2 و همکاران [8] تعدادي از دیفرانسیلهاي با قابلیت کنترل برداري گشتاور را به روش باندگراف مدل نمودند و یک مدل ریاضی یکپارچه براي آنها بدست آوردند. در این پژوهش با مدلسازي یک مکانیزم واقعی توزیع گشتاور و استفاده از آن در مدل یک خودروي چهارچرخ محرك با هشت درجه آزادي، به بررسی تفاوت استفاده از آن در محور جلو و یا محور عقب بر روي بهبود خوشفرمانی و تأثیر موقعیت مرکز جرم بر روي این مساله پرداخته شده است.
مدل دینامیکی خودرو
حرکتهاي اساسی در رابطه با رفتار خوشفرمانی خودرو، انتقال در امتداد محورهاي طولی و جانبی، دوران حول محور z و حرکت غلتش میباشد . از این رو بهمنظور بررسی رفتار خوشفرمانی خودرو، خودرویی با هشت درجه آزادي شامل دو درجه آزادي براي جابجایی در راستاهاي طولی - x - و جانبی - - y، دو درجه آزادي براي دوران حول محور طولی - غلتش - و دوران حول محور عمودي - چرخش - و چهار درجه آزادي براي دوران هر کدام از چرخهاي خودرو حول محور دوران آنها در نظر گرفته میشود مدل هشت درجه آزادي استفاده شده در این تحقیق در شکل 1 نشان داده شده است. با استفاده از قانون دوم نیوتون در امتداد محورهاي عرضی، طولی و ممان حول مرکز جرم در امتداد محور قائم، معادلات حرکت خودرو بهصورت روابط - 1 - تا - 4 - نوشته میشوند.
شکل :1 مدل خودرو و نیروهاي مربوطه
مدل تایر
به منظور شبیه سازي رفتار غیرخطی تایر، مدل پسیجکا2002 3 مورد استفاده قرار گرفته است .[9] شکل کلی معادلات به صورت رابطهي - 10 - میباشد.
در رابطهي - 10 - ، Y - x - نیروي طولی با x به عنوان لغزش طولی و یا نیروي عرضی با x بهعنوان زاویهي لغزش جانبی تایر و یا ممان خود تنظیمی4 با x بهعنوان زاویهي لغزش جانبی تایر میباشد.
ضرایب معادلهي فوق به نوع تایر، شرایط جاده و نیروي عمودي وارد بر تایر بستگی دارند. در این تحقیق از تایر 195/65 R15 استفاده شده است و شرایط جاده خشک در نظر گرفته میشود.
مدل موتور
گشتاور خروجی موتور در هر لحظه از رابطهي - 11 - محاسبه میشود.
در رابطهي - 11 - ، Te گشتاور خروجی از موتور، e سرعت دورانی موتور و thr درصد بازشدگی دریچهي گاز است. موتور مورد استفاده در این تحقیق یک موتور 8 سیلندر میباشد که نمودار گشتاور خروجی بر حسب درصد بازشدگی دریچهي گاز و دور موتور در شکل 2 آورده شده است.
شکل :2 نمودار گشتاور خروجی موتور بر حسب درصد بازشدگی دریچهي گاز و دور موتور
یک جعبه دندهي 5 دنده در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفت که نسبت دندههاي آن در جدول 1 آورده شده است.
جدول :1 نسبت دندههاي جعبه دنده
مدل دیفرانسیل
در این مقاله از یک دیفرانسیل فعال با قابلیت کنترل جهت و مقدار گشتاور خروجی در محور عقب استفاده شده است. سیستم مورد استفاده در این پژوهش داراي دو کلاچ ثابت و دو سري چرخدندهي سیارهاي است که در دو طرف دیفرانسیل معمولی قرار دارند .[10] این نوع دیفرانسیل با نام 1DPC توسط شرکت بیامو2 مورد استفاده قرار میگیرد. تصویر این سیستم در شکل 3 نشان داده شده است
سمت محور سمت راست منتقل میشود و هرچه فشار مابین کلاچها بیشتر باشد گشتاور منتقل شده بیشتر خواهد بود. این سیستم امکان توزیع گشتاور، بدون توجه به گشتاور تولیدي توسط موتور را دارا است. در این مقاله براي دیفرانسیل مرکزي و دیفرانسیل محور جلو از سیستم دیفرانسیل معمولی استفاده شده است. دیفرانسیل معمولی گشتاور را به صورت مساوي بین محورهاي خروجی تقسیم میکند. شکل 4 دیاگرام آزاد اجزاي دیفرانسیل فوق را نمایش میدهد.
شکل :4 دیاگرام آزاد دیفرانسیل ديپیسی
با نوشتن قوانین نیوتن براي اجزاي این دیفرانسیل، سرعت نسبی بین صفحات کلاچ سمت چپ و سرعت نسبی بین صفحات کلاچ سمت راست بهترتیب از روابط - 12 - و - 13 - و گشتاور منتقل شده به چرخهاي سمت چپ و راست بهترتیب از روابط - 14 - و - 15 - محاسبه میشوند
شکل :3 دیفرانسیل ديپیسی با قابلیت کنترل گشتاور
با فعال شدن کلاچ سمت راست، گشتاور بیشتر بهطرف چرخ سمت راست و با فعال شدن کلاچ سمت چپ، گشتاور بیشتر بهطرف چرخ سمت چپ منتقل میشود. این سیستم درصورت غیرفعال بودن کلاچها همانند دیفرانسیل معمولی عمل میکند و در صورت فعال شدن یکی از کلاچها - بهعنوان مثال کلاچ سمت راست - ، حرکت حمل کنندهي سیارهاي محدود شده و درنتیجه چرخدندهي سیارهاي شروع به دوران حول محور حملکننده میکند.
در این شرایط سرعت چرخدندههاي 1 تا 4 بهیکدیگر وابسته شده و تا زمانی که سرعت چرخ سمت راست از c z1z3 / z2 z4 کمتر باشد، گشتاور بیشتري به 1و 2 به ترتیب سرعت زاویهاي چرخهاي سمت چپ و راست، Ter گشتاور خروجی از دیفرانسیل مرکزي به محور عقب، Tt1 و Tt 2 به ترتیب گشتاور ورودي به چرخهاي سمت چپ و راست و Tf 1 و Tf 2 به ترتیب گشتاور اصطکاکی انتقالی توسط کلاچهاي سمت چپ و راست میباشند. Z1 تا Z4 تعداد دندانههاي چرخدندههاي 1 تا 4 میباشند که در شکل 3 نشان داده شدهاند و I* ممان اینرسی اجزاي مختلف دیفرانسیل میباشد - شکل i . - 4 نسبت دندهي ورودي دیفرانسیل میباشد که 2/8 در نظر گرفته شده است.
